石灰土路基施工工艺研究

王国栋，周 鹏，于立民，占昌清

中国十七冶集团有限公司交通工程技术分公司，安徽 马鞍山 243000

长三角冲积平原区域土质含水量较大、属于高压缩性土体、孔隙比高、承载能力较低，具有触变等特性，该土质不能直接用于工程之中，需要加石灰土进行改良处理。改良仍然无法满足需要的，需要换填较好的土与石灰土拌和后作为市政道路路基。石灰土的原理是通过掺入石灰达到土体改良的效果。具体而言，通过石灰与水分、二氧化碳的一系列物理化学反应，会使得土体颗粒之间形成一定的黏聚力，这时通过设备的碾压使得土体之间具备一定的强度、刚度，因此石石灰土也称之为半刚性材料，由于石灰土的半刚性特性形成需要一系列的化学、物理反应，因此在施工工艺上，需要对照石灰土各阶段的反应内容进行有针对的控制，从而提高现场石灰土施工管理水平。

1 石灰土形成半刚性的机理

1.1 第一阶段：生石灰消解成为熟石灰

该过程为放热过程，当土体中含水量较多时，Ca(OH)2会吸收土体中的水分形成结晶体（该结晶体具有一定的强度）。化学反应方程式为CaO+H2O=Ca(OH)2。

1.2 第二阶段：形成强度

熟石灰与土体中的矿物质进行反应，形成胶凝和絮凝材料；熟石灰与接触面空气中二氧化碳反应形成胶凝和絮凝材料。化学反应方程式为Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。

生石灰为块状材料，经过5～8d的消解，形成熟石灰，熟石灰应为粒径小于10mm的粉粒状。熟石灰掺入土体之中，与土体掺和翻拌，熟石灰与土体接触面的矿物质进行第二阶段的反应生成了硅酸钙、硅酸铝等胶凝材料，同时熟石灰本身在二氧化碳的作用下形成了碳酸钙，硅酸钙、硅酸铝、碳酸钙均属于稳定性材料，这也是土体形成强度的最主要因素。同时由于本身土体不可能粉碎得太细，必然存在成团的土，石灰与土体不能完全反应，部分熟石灰在土体之中既不能与土体矿物质反应，又不能与空气或者游离水中的二氧化碳反应生成稳定性材料，这部分熟石灰通过吸收土体中的游离水形成氢氧化钙的结晶物，同样具备了一定的强度。

2 材料选择

2.1 土体选择

根据石灰土产生强度的原理可知，在掺灰改良的土体应该满足土的粒径、土体的黏性及土体的pH值三个指标。施工过程中严禁采用腐质性土、淤泥土、冻土、有机土，塑性指数为15～20的黏性土及含有一定数量黏性土的中粒土和粗粒土适宜进行石灰土拌和，塑性指数偏大的黏性土，应加强粉碎，粉碎后土块最大尺寸应不大于15mm，可以采用二次拌和法，第一次加部分石灰拌和，闷放2～3d，再加入其余石灰，进行二次拌和。由于消石灰为碱性材料，且生成的稳定物与酸性材料可以进行反应从而被降解，因此土体的pH值也很重要，硫酸盐含量超过0.8%的土也不宜进行石灰土拌和。

2.2 石灰质量控制

石灰土施工的核心是Ca2+形成稳定絮凝、胶凝物的过程，因此石灰质量尤为重要，应选择Ⅱ级以上的石灰。石灰的粒径影响作用反应的比表面积，因此石灰中10～50cm的团状不应大于总量5%。

3 石灰土路基施工重点工艺

3.1 生石灰消解注意事项

生石灰消解期间属于吸水且放热的过程，因此在生石灰消解期间需注意补充水分，在补充水分时不适直接使用水管冲洒表面，可采用在生石灰堆中插入冲水管，从而使生石灰充分消解。同时注意生灰表面的温度，由于熟石灰能和空气中的二氧化碳形成钙化反应，从而降低石灰的品质，因此熟石灰不能储存太久。生石灰消解可以吸收水分，因此对于该区域含水量较高的土质，可以采用在土中掺入生石灰的方式进行闷料，一方面减少土体的含水量，使得土体性能得到改良，另一方面完成石灰的消解，不过由于这个工序存在石灰的损耗，掺入的生石灰的量要大于设计要求的1%～1.5%，方可满足设计要求的灰剂量。

3.2 石灰土拌和施工重点

（1）熟石灰粒径不应大于10mm。由于熟石灰通过与土表面的矿物质接触，然后发生化学反应生成絮凝、胶凝的稳定物质，因此熟石灰越细、土体的颗粒状越散，熟石灰与土体的接触面积就越大，形成的稳定材料就越多，从而强度、刚度、稳定性就越好，同时熟石灰越细与空气接触面越大，更容易形成稳定的碳酸钙，从而使得改良土的性质得到保证。

（2）掺灰、拌和。为了保证施工的质量，施工期间均采用分层施工，由于灰剂量过大或过小均会影响石灰土的强度，为了控制灰剂量，需确定消石灰的使用数量且保证每层的层高，现场一般采用网格法进行施工。通过事先划分的网格，将土倾置于方格网中，然后放入灰剂量要求的消石灰，在网格内拌和、压实，从而保证了石灰土的每层厚度及灰剂量。具体如下：①确定松铺系数和压实厚度从而确定铺筑厚度，一般松铺系数为1.2，按照每层厚度20cm进行控制，每层的铺筑厚度应为24cm；②确定、划分方格网，根据运土车的方量及方格网尺寸。运土车的方量为6～7m3，需使用规格为5m×5m的方格网，将其均匀摊铺，达到铺筑的厚度。在消石灰掺和前，应先用推土机粗略推平，然后用平地机精平，平整完后采用轻型压路机进行一遍碾压；③消石灰方量选择，根据方格网土方量及设计要求的灰剂量，确定熟石灰的量，比如土的干容重为1.6t/m3，则方格网内土重量为8t，根据灰剂量6%确定消石灰质量为0.48t。消石灰的撒布采用人工均匀撒布，撒布期间应避开大风天气，以减少扬尘；④拌和，拌和的目的是使撒布的消石灰与土体充分接触，尽可能增大表接触面积，进而产生更多的化学反应，生成更多的胶凝及絮凝稳定物，使空气中的二氧化碳与消石灰充分反应，以此增加土体强度。拌和设备采用稳定土拌和机进行拌和，辅助采用旋耕机进行处理，稳定土拌和机粉碎效果好、翻耕深度深，旋耕机处理深度及工作性能在层厚不大于15cm时能满足要求，大于20cm的效果不如稳定土拌和机。施工期间应注意消石灰及土粒的粒径，团状土应打碎。土体中含水量较高的应翻耕、晾晒，应保证其在最佳含水量时状态。采用路拌机从路基的一侧纵向依次拌和，每次拌和重叠宽度不小于50cm，拌和深度应达到下层顶面以下5～10mm，严禁拌和底部有素土夹层，通常拌和3遍以上，直到粉碎拌和后的土体颗粒粒径在50mm以下，混合料色泽均匀、一致，没有灰条、灰团。

（3）碾压。碾压过程应一次成型，避免反复碾压扰动石灰土强度的形成，在最佳含水量偏差2%的状态下（含水量高，碾压后颜色较深色，含水量低碾压后易松散）进行碾压，初压采用8～12t压路机静压2～3遍，起到整平稳定混合料的目的；复压采用16～18t重型振动压路机振动碾压2～3遍，特别的，当地下水位较高的地段应注意振动碾压的频率和遍数，不可过振避免引起地下水的返水；终压采用18～21t三轮压路机静压2遍，达到表面无轮痕。特别应注意石灰土层施工严禁薄层贴补，由于石灰土形成的板体型呈现出片层状，层与层之间依靠分子间作用相互连接，具有一定的抗压能力，可是抗剪切能力较弱，常常形成剪切的层状破坏，薄层贴补的部分与其他部分呈现的层片状很容易受到破坏，会发生贴补区域的横向剪切剥离，这对基层及面层是极其不利的。

（4）养生。石灰土的强度是根据石灰土中的Ca2+离子的一系列反应生成的稳定物确定的，该系列反应需要一定的时间，一般石灰土强度增长时间在28d左右，且在强度增长的前14d稳定物生成较少，土体之间的胶凝力不足，很容易受到外界冲击力而松散，因此在碾压完成后需要进行养生。鉴于养生的原理，养生期间的注意要点如下：①水分的保持以最佳含水量为准，水分在养生期间的作用主要为作为搬运游离Ca2+的介质，同时可以与未进行反应的消石灰结合生成强氧化钙的结晶物，这对石灰土强度的形成是有利的，然而如果水分过多可能导致Ca2+的流失，且土体不容易压实，过多的含水量在水分蒸发后会引起收缩干裂，因此在养生期间应保持最佳含水量，常用的方法为采用薄膜敷设或人工洒水，薄膜敷设的作用在于保持土体的水分不被蒸发减少，人工洒水主要是补充蒸发的水分；②温度对于离子间的反应速度有重要影响，温度低于5℃时，石灰土间的絮凝反应会很慢，强度基本不增长，在温度低于0℃时，自由水结冰离子失去了水载体的运送，基本不再发生反应，因此不可在冬季进行石灰土施工；③静置，石灰土施工碾压完毕后，在前14d形成一定的强度前，应禁止重车在石灰土层行驶，避免刚形成的板体松散开来。

4 结束语

文章从石灰土形成强度、刚度、稳定性的机理出发，在明确石灰、土体等主要原材料及水分、温度等外界条件影响的基础上，重点研究石灰消解、石灰土拌和、碾压、养生等施工重点工序，通过这种理论结合实际的方式研究施工工艺，对于指导现场科学管理、现场施工人员管理、处理现场施工问题具有一定的意义。